遼寧省烈度速報算法研究及其在燈塔地震中的檢驗①

梁永朵， 姜金征， 戴盈磊， 蔣　越， 李　瑩

(遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034)

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技術交流

遼寧省烈度速報算法研究及其在燈塔地震中的檢驗①

梁永朵， 姜金征， 戴盈磊， 蔣越， 李瑩

(遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034)

摘要：立足于遼寧省烈度速報的實際需求，在多種地震烈度算法的研究基礎上，結(jié)合震害實際，從濾波、場地校正、網(wǎng)格計算、烈度計算、已知震源計算等方面進行探索和試驗，提出一種新的實時地震烈度計算的方法，并在遼陽燈塔5.1級地震中得到實際檢驗。

關鍵詞：烈度速報； 烈度算法； 燈塔5.1級地震

0引言

為了實施迅速、有效的地震應急措施，最大限度地減輕地震災害，首先必須了解地震的影響大小和范圍。目前，借助于分布廣泛的地震監(jiān)測臺網(wǎng)，在震后幾分鐘內(nèi)獲知地震的震中位置及震級已不再是問題。但是地震產(chǎn)生的破壞并非這兩個參數(shù)的簡單函數(shù)，且過于粗略的地震影響估計也不能滿足地震應急反應的需要[1-2]。烈度速報臺網(wǎng)是架構(gòu)在數(shù)字強震動臺網(wǎng)系統(tǒng)基礎上，通過強震動的實時監(jiān)測以實現(xiàn)地震烈度速報，為政府地震應急反應決策、震害快速評估和震后重建提供科學依據(jù)，對建立有效的震災預防體系、減輕災害損失具有重要的作用。

地震烈度速報臺網(wǎng)的速報結(jié)果只是速度和加速度的記錄，利用相應的公式計算得到該點所對應地震烈度，即儀器烈度，其反映的并不完全是現(xiàn)行國內(nèi)烈度評定表所對應的烈度。但為了實現(xiàn)地震烈度速報，決策部門希望在實際現(xiàn)場考察前，實時地或近實時地通過儀器響應得到基本準確的地震烈度分布結(jié)果，以實現(xiàn)震后救災決策。地震烈度速報臺網(wǎng)首要解決的問題是實現(xiàn)地震烈度的實時和準實時計算，因此地震烈度速報算法成為關鍵問題。

近年來，隨著強震觀測臺網(wǎng)的建設和發(fā)展，利用實時或準實時的強震臺站實測的地震動記錄進行地震動強度(烈度)速報，越來越受到世界各國的高度重視。目前美國、日本、中國臺灣、中國地震局工力所[3]、福建地震局等[4]國家、地區(qū)和部門進行了地震烈度計算方法研究，但國外、中國臺灣的地震烈度體系與中國大陸不完全相同，且其地震烈度算法又各有不同。遼寧省“十二五”期間購置了廣東珠海泰德公司Smart烈度速報系統(tǒng)軟件，其采用的烈度算法延用了美國Shakemap的思路和方法，由于受臺網(wǎng)密度、場地條件限制，該算法并不完全適合遼寧省烈度速報烈度計算要求。因此在參考其他研究成果的基礎上，擬探究一套能滿足遼寧省地震烈度速報實時算法，并嵌入Smart烈度速報系統(tǒng)，進而完善烈度速報系統(tǒng)，提高地震災害快速評估水平。

1烈度計算方法

1.1烈度速報算法確定原則

(1) 地震儀器烈度應與宏觀烈度有較好的對應關系

地震儀器烈度作為反映地震動強度的定量物理標準，首先必須能夠比較合理地反映地震的影響程度，與震害后果有較好的對應關系[5]。為了使地震儀器烈度與由中國地震烈度表評定的烈度相聯(lián)系，保持烈度評定的連續(xù)性，本研究繼續(xù)沿用中國地震烈度表所規(guī)定的烈度等級。換言之，地震儀器烈度標準應與中國地震烈度表有一定的繼承性和連貫性。

(2) 地震儀器烈度物理參數(shù)應與引起結(jié)構(gòu)振動破壞的因素有較好的因果關系

在選擇地震動物理參數(shù)時應充分考慮我國房屋結(jié)構(gòu)物的主要頻帶范圍(0.3～3.0 Hz)[6]。但很多研究結(jié)果都表明，相對于強度而言，地震動頻譜參數(shù)和持時對烈度的影響是次一級的因素，它們只在一定強度(幅度)下才會對烈度結(jié)果產(chǎn)生影響，因此地震本身的主要頻率對建筑的破壞，尤其是近場建筑物破壞不可忽視。綜合考慮遼寧地區(qū)地震主周期頻率為0.3～10 Hz，因此本文選取0.3～10 Hz帶通濾波，既考慮到地震主周期頻率成分對烈度的影響，又使烈度結(jié)果不過多受突兀尖峰值影響，更趨近合理和穩(wěn)定。

(3) 地震動參數(shù)選擇中應充分考慮三分量地震動的影響

目前很多研究結(jié)果表明，相比水平向地震動，豎向地震動的幅值普遍偏小，豎向地震的幅值只在震中附近很小區(qū)域內(nèi)比較顯著。因此，通常情況下都只是以兩水平向地震動的峰值評定烈度，我國現(xiàn)行地震烈度表中也是以兩水平向地震動的峰值為標準列出了Ⅴ～Ⅹ度時的參考物理指標。但從近幾年發(fā)生的一系列大地震的強震觀測記錄中可以明顯看到，在震中附近豎向地震動的峰值是不能被忽略的，有的甚至比水平向的還要大，所以在選擇儀器烈度計算的地震動參數(shù)時應綜合考慮三分向地震動時程對儀器烈度的影響。

(4) 儀器烈度計算方法簡潔并具有一定的通用性，計算結(jié)果穩(wěn)定可靠

本研究只考慮地震動參數(shù)的主要因素，計算方法應盡量簡潔，便于實際操作運用?？紤]到遼寧省實際震害水平，依然延用中國烈度計算公式[7]。

1.2采用的烈度計算方法

綜合各種烈度算法思路(圖1)，遼寧地區(qū)地震烈度的計算按以下幾步實施：

圖1　烈度速報技術思路Fig.1　Technical ideas of intensity rapid report

(1) 場地校正

根據(jù)臺站的安裝位置(基巖、土層等)初步確定臺站的場地放大系數(shù)[8](場地放大系數(shù)為該臺站相對基巖臺的運動幅度比值，當臺站在土層或基巖上時，ShakeMap給出了根據(jù)基巖的年代和波速來初步確定其系數(shù)的表格)，但最終的場地放大系數(shù)應根據(jù)相應的擬合公式和現(xiàn)場考察的結(jié)果來最終擬合確定(中國臺灣也是采用類似的方式確定場地放大系數(shù))。

ShakeMap中對場地效應作出了非常明確的評判，即要求所有臺站在進行正式烈度計算前，必須根據(jù)臺站的實際安裝位置(ShakeMap 要求將所有臺站的記錄修正到基巖臺站)進行場地效應的修正。

對于遼寧省烈度速報臺網(wǎng)而言，由于強震臺的安裝環(huán)境各不相同，有的安裝在基巖臺站上，有的安裝在土層臺上。從實際觀測的效果來看，幾乎所有臺站在每次地震中均呈現(xiàn)一致性地偏移(即在所有地震中單個臺站的相對加速度記錄值偏大或者偏小)，即臺站存在場地效應。最終，場地效應參照ShakeMap Small Regression的擬合公式實現(xiàn)修正[9]。

(2) 網(wǎng)格計算

參照ShakeMap的思路，繪制地震烈度圖需要進行網(wǎng)格的計算。網(wǎng)格的計算對實時系統(tǒng)而言能減少系統(tǒng)的計算量，但通過插值方式繪制地震烈度分布圖可能降低其精度。

(3) 濾波及烈度值計算

①采用帶通濾波器，在0.3～10 Hz頻率域內(nèi)對三分向地震動加速度時程分別濾波；

②由濾波后的三分向地震動加速度時程計算合成加速度時程：

(1)

③利用中國烈度表示方法計算烈度值。

(2)

(3)

(4) 烈度圖繪制

①利用已有的臺站加速度值大小構(gòu)造一個粗略的、間隔統(tǒng)一的仿真臺站網(wǎng)格；

②根據(jù)臺站的加速度值或速度值確定臺站的烈度值；

③利用等距離插值法構(gòu)建仿真臺站的烈度網(wǎng)格；

④根據(jù)烈度網(wǎng)格點繪制整個區(qū)域內(nèi)的地震烈度分布等值線。

(5) 已知震源的計算

實際地震定位中，尤其是大地震定位中，宏觀震中與地震定位軟件得到的理論計算震中不一定完全吻合，所以采用未知震源的烈度計算很有必要，但在本系統(tǒng)的烈度速報中存在一定的難度和不確定性。因此，結(jié)合實際震害結(jié)果和臺網(wǎng)密度等情況，烈度分布圖采用已知地震震源為斷裂帶震源時的結(jié)果。

2燈塔5.1級地震實際檢驗

據(jù)遼寧省地震臺網(wǎng)測定，2013年1月23日12時18分在遼寧省燈塔市附近(41.5° N，123.2° E)發(fā)生5.1級地震。該次地震發(fā)生在營口—佟二堡斷裂附近，屬于郯廬斷裂帶北段的地震活動。地震震中距沈陽市主城區(qū)37 km、距燈塔市13 km、距遼陽市26 km、距鞍山市38 km。據(jù)了解，震中及上述區(qū)域強烈有感，遼寧全省有感。

據(jù)統(tǒng)計，該次地震從遼寧省強震動臺站獲取22組三分量加速度記錄,總計66條，獲取記錄震中距范圍從16～370 km不等，距離震中最近的遼陽臺的強震記錄經(jīng)校正后，三分向合成加速度值為24.5 cm/s2。

震后10分鐘由烈度速報數(shù)據(jù)處理Samrt系統(tǒng)自動繪制出烈度分布圖，震后30分鐘即繪制出較詳細的加速度分布圖及烈度分布圖(圖2)，為震后救災和應急震后快速評估提供了客觀依據(jù)，充分顯示了烈度速報系統(tǒng)的實用價值和應用價值。

圖2　燈塔5.1級地震儀器烈度Fig.2　Instrumental seismic intensity of the Dengta M5.1 earthquake

獲取燈塔5.1級地震的數(shù)字強震動儀主要有GDQJ-Ⅱ型、GSMA-2400IP型2種，使用SLJ-100型、BBAS-2型力平衡式加速度計，采樣率一般為200 sps，事前存儲時間為30 s，事后存儲時間為30 s，頻率范圍在0～80 Hz之間。

表1列出了獲取此次地震記錄的強震動臺站基本參數(shù)。圖2為根據(jù)獲取記錄臺站計算的烈度分布圖。從圖2中可以看出，震中區(qū)烈度為Ⅵ度，其范圍約40 km2。

3認識與討論

泰德公司烈度算法基本延用了美國Shakemap的方法，由于該方法烈度值計算和衰減關系方面適用于美國地區(qū)，如果進行系數(shù)校正需要大量震例數(shù)據(jù)支撐，顯然遼寧省強震動臺網(wǎng)由于運行時間較短，且中強震例相對較少，很難做到這一點。因此，適當?shù)母倪M烈度算法將有利于提高烈度速報系統(tǒng)的速報精度。

改進的烈度算法相對原泰德公司烈度算法更適合遼寧地區(qū)的地域特點(表2)，其具備5點優(yōu)勢：(1)在濾波方法上考慮了中國建筑物的周期性(0.3～3 Hz)和遼寧地區(qū)地震的卓越周期(8～12 Hz)對峰值的影響。既考慮到地震主周期頻率成分對烈度的影響，又使烈度結(jié)果不過多受突兀尖峰值影響，更趨近合理和穩(wěn)定；(2)從近幾年來遼寧地區(qū)發(fā)生的M≥3.0地震中獲得的強震觀測記錄中統(tǒng)計得到，在震中附近豎向地震動的峰值是不能被忽略的，有的甚至比水平向的還要大,因此在峰值計算方面考慮了垂直向的影響；(3)在衰減關系選用方面，考慮到遼寧省中強震活動水平較低，不利于修正Shakemap的衰減關系系數(shù)，所以延用了東北地區(qū)的衰減關系；(4)考慮到烈度計算方法應盡量簡潔，便于實際操作運用，故在烈度值計算時繼續(xù)應用適合中國大陸地區(qū)的中國烈度表算法；(5)在烈度圖繪制時綜合考慮了遼寧省強震動臺網(wǎng)密度較低及該地區(qū)地震主要以中強地震活動為主，采用了震源參與烈度圖繪制計算的思路。實際表明，燈塔5.1級地震震中區(qū)附近并沒有強震動臺站觸發(fā)，但由于采用了震源參與計算烈度的方法，極震區(qū)烈度計算仍為Ⅵ度，與實際調(diào)查結(jié)果吻合(圖2)。由圖3可見，本文烈度算法計算得到的數(shù)據(jù)更趨于穩(wěn)定，而原泰德烈度計算方法直接得到的地震烈度值離散度較高。

表 1　獲取記錄臺站基本參數(shù)

表 2　烈度算法對比

圖3　烈度算法結(jié)果對比圖Fig.3　Comparison of results by two intensity algorithm

4結(jié)論

2012年初開始，遼寧省試運行泰德公司提供的烈度速報Smart系統(tǒng)，經(jīng)實際震例檢驗，該軟件明顯存在“水土不服”問題，主要為烈度算法與本省震害實際不符。因此技術人員與泰德公司軟件開發(fā)人員進行技術合作，通過技術創(chuàng)新，實現(xiàn)了技術相互融合，提出一種新的實時地震烈度計算方法，并經(jīng)過遼寧燈塔5.1級地震檢驗，取得了良好效果，提升了烈度速報水平。

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Research and Testing of an Intensity Rapid Report Algorithm

for the DengtaMS5.1 Earthquake in Liaoning

LIANG Yong-duo, JIANG Jin-zheng, DAI Ying-lei, JIANG Yue, LI Ying

(EarthquakeAdministrationofLiaoningProvince,Shenyang110034,LiaoningChina)

Abstract：When making strategic disaster relief decisions, rapid and effective intensity assessment and distribution results are of utmost importance. For this process, an intensity rapid report algorithm is necessary, especially in areas such as Liaoning. In the study process, following principles must be followed: (1) The intensity grade must adhere to the Chinese Seismic Intensity Scale to communicate the instrumental intensity and maintain continuity of the intensity assessment. (2) With respect to the physical ground motion parameter, a 0.3～10 Hz band-pass filter must be selected because the main frequency bands of housing structures in China fall into this range. (3) When selecting the ground motion parameters of the instrumental intensity, the effect of three ground motion component histories for this intensity must be considered. (4) The method must be simple and general for overall use, and the results should be stable and reliable. We calculated the seismic intensity in Liaoning by the following steps: (1) Modification of the correction of the field effect using ShakeMap Small Regression. (2) Grid computation for real-time systems, which reduces the amount of computation but may also reduce the accuracy of the intensity map. (3) Filtration and intensity calculation. We use a band-pass filter in the 0.3～10 Hz frequency domain, filter the three-component ground motion histories, and then synthesize the acceleration time history. Finally, we calculate intensity values using the Chinese intensity method. (4) Plotting intensity distribution. We constructed a rough and uniform simulation station grid using an existing station acceleration value and determined the intensity value of the station by its acceleration or velocity. The intensity of the simulation station is constructed using the equal-distance interpolation method. We then plot the distribution of the equivalent seismic intensity in the entire region from the intensity of grid points. Combined with the actual seismic damage results and network density, we draw the intensity distribution map using the source of a fault zone. Finally, considering the DengtaMS5.1 earthquake in Liaoning as a test case, the intensity distribution map was automatically produced by the intensity quick report data processing system called Samrt in 10 min, which also produced a detailed acceleration distribution diagram and intensity distribution map in 30 min. These results prove that the proposed method is feasible.

Key words：intensity rapid report; intensity algorithm; DengtaMS5.1 earthquake

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.04.1136

中圖分類號:P315.9

文獻標志碼：A

文章編號:1000-0844(2015)04-1136-05

作者簡介：梁永朵，女，高級工程師,主要從事強震動觀測技術研究。E-mail:liangyongduo1437@163.com。

基金項目：遼寧省地震局研究生基金(LNDZBSJJ002)

收稿日期：①2015-02-12